Magnetyczne Skyrmiony – gotowe do startu?

W cienkich warstwach magnetycznych można je łatwo wytworzyć za pomocą impulsu prądu elektrycznego, a nawet szybciej, za pomocą impulsu laserowego – aczkolwiek na razie tylko w losowych pozycjach w materiale. Skyrmiony są naukowo interesujące z dwóch perspektyw: Z jednej strony niebo magnetyczne jest postrzegane jako nośniki informacji w technologii informacyjnej przyszłości. Z drugiej strony, grzbiety nieba w cienkich warstwach magnetycznych mogą służyć jako idealne stanowisko testowe do badania dynamiki nietrywialnych kwazicząstek topologicznych. Jednak, aby poczynić postępy w tej dziedzinie, wymagane jest niezawodne generowanie szyn magnetycznych w kontrolowanych pozycjach. Zespół naukowców, kierowany przez Instytut Maxa Borna, osiągnął teraz pełną kontrolę generowania nieba w skali nanometrycznej dzięki dwóm niezależnym podejściom wykorzystującym He⁺Napromienianie jonami lub stosowanie odblaskowych masek na plecy.

W ostatnich latach odnotowano znaczące postępy w generowaniu, anihilacji i anizotropii nieba magnetycznego w cienkich warstwach magnetycznych. Głównym narzędziem do badania tych struktur magnetycznych w skali od nanometrów do mikrometrów jest ich bezpośrednie obrazowanie – albo w świetle widzialnym, albo w promieniach rentgenowskich. Jeśli chcemy badać właściwości dynamiczne wraz z właściwościami przestrzennymi, musimy nagrać film składający się z wielu klatek obrazu. Jednak bezpośredni zapis Skyrmiona w skalach czasowych odpowiednich do nano- lub nawet pikosekund jest prawie możliwy – czas akwizycji wymagany dla pojedynczej klatki jest zwykle bardzo długi. Ten problem jest na ogół rozwiązywany przy użyciu powtarzanych pomiarów stroboskopowych – zwanych „eksperymentami pompa-sonda” – gdzie ten sam proces jest powtarzany w kółko podczas obrazowania. Aby umożliwić takie pomiary z rozdzielczością czasową, dynamika nieba magnetycznego musi być zarówno kontrolowalna, jak i deterministyczna. Zespół naukowców pod kierunkiem Instytutu Maxa Borna opracował dwa sposoby niezawodnego tworzenia nieba w pożądanych pozycjach i kierowania jego ruchem – kluczowe kroki w kierunku nagrywania wideo poruszającego się nieba.

Pierwsza metoda polega na napromieniowaniu warstwy magnetycznej, na której znajduje się niebo, skupioną wiązką helowo-jonową w celu elastycznego tworzenia wzorów o różnych kształtach i rozmiarach w materiale magnetycznym. Co ważne, ta lokalna modyfikacja przy użyciu bardzo lekkich jonów wpływa jedynie na właściwości magnetyczne materiału, podczas gdy folia pozostaje strukturalnie nienaruszona. Za pomocą jonów helu można z góry określić, gdzie pojawia się niebo po odpaleniu go krótkim impulsem prądu elektrycznego lub światła laserowego (patrz rysunek 1, gdzie jądra są zarodkowane w dwóch rzędach izolowanych punktów). W szczególności wykazano, że modulacja magnetyczna jest wystarczająco delikatna, aby umożliwić kontrolowane oddzielenie Skyrmiona od miejsca generowania i jego późniejszy niezakłócony ruch. Ponadto, łącząc plac budowy Skyrmion z kanałem prowadzącym, zespół był w stanie zademonstrować ciągły ruch nieba magnetycznego napędzany impulsami prądu elektrycznego na przestrzeni dziesiątek mikrometrów tam iz powrotem na tak zwanym magnetycznym torze wyścigowym – całkowicie tłumiąc wszelkie niepożądany ruch boczny, jest integralną częścią napędzanych prądem elewacji nieba.

W drugim podejściu do wcześniej zidentyfikowanych miejsc intencji Skymiona, naukowcy zaprojektowali odblaskowe maski o nanowzorach na odwrotnej stronie materiału magnetycznego. Maski te pozwalają na kontrolę amplitud wzbudzenia osiąganych po uderzeniu lasera w warstewkę magnetyczną, co skutkuje nanometrową rozdzielczością przestrzennego rozkładu generowanego nieba magnetycznego (patrz rys. 1, gdzie niebo jest zarodkowane na siatce kwadratowej ). Ponieważ maski są przygotowywane na odwrotnej stronie folii magnetycznej odpowiadającej powierzchni oświetlonej laserem, sposób zachowuje swobodny dostęp do przedniej strony folii magnetycznej, na przykład do wykrywania wysokości nieba. Zastosowanie tego podejścia z maską tylną poprzez nieograniczony dostęp do błony magnetycznej można łatwo przenieść na inne generowane przez światło zjawiska przełączania w celu dodania kontroli nanometrycznej nad transformowanymi obszarami.

Wyniki tych badań mogą również wpłynąć na badania nad nowymi koncepcjami informatyki i hurtowni danych. W ciągu ostatnich dziesięcioleci zaobserwowaliśmy zapotrzebowanie na coraz większą gęstość przechowywania danych i wydajne możliwości obliczeniowe, co wywołało duże zainteresowanie przemysłu badaniem energetycznych efektów magnetycznych w ultraszybkich i ultramikroskalowych zastosowaniach technologicznych. Jednym z potencjalnych kandydatów na nośniki informacji nowej generacji jest niebo magnetyczne. Dzięki poziomowi kontroli osiągniętemu w zakresie generowania i ruchu Skyrmiona oraz możliwości dalszej miniaturyzacji, technologia może ostatecznie utorować drogę potencjalnym przyszłym urządzeniom, takim jak pamięci toru wyścigowego Skyrmion, rejestry przesuwne i bramki logiczne Skyrmiona.